第二十一章--基因的分子生物学

一、遗传物质是DNA(或RNA)的证明二、DNA复制三、遗传信息流是从DNA到RNA再到蛋白质四、基因突变一、遗传物质是DNA(或RNA)的证明(一)遗传物质是DNA（或RNA）的直接证据：1.肺炎链球菌的转化实验1928年英国的格里菲斯（Griffith）的实验证明遗传物质可以转化进入细菌，改变细菌特性。爱弗莱（Avery）的实验证实，进入细菌改变特性的遗传物质是DNA，而不是蛋白质。1928年，Griffith肺炎双球菌转化实验Griffith认为“接种物中的死细菌可能提供了某些特异的蛋白质为原料，使R型细菌能制造荚膜”蛋白质起转化作用SⅢ杀死细菌分离提取多糖脂类RNA蛋白质DNADNA+DNaseRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ不杀死不杀死不杀死不杀死可杀死不杀死小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠小鼠RⅡRⅡRⅡRⅡRⅡ+SⅢRⅡ图Avery等的体外转化实验1.仅DNA是转化因子2.其它物质（含蛋白）均不能转化2.Hershey-Chase关于噬菌体的感染实验上清：游离的噬菌体沉淀：被感染过的细菌结论：进一步发现：实验结果：噬菌体在感染细菌时，仅仅是其中的DNA内核进入细菌，而蛋白质外壳留在细菌细胞外从细菌中释放的新噬菌体颗粒中，能检测出32P标记，而检测不出35S标记可见噬菌体在繁殖的过程中，DNA得到了复制，并且控制新的蛋白质外壳的合成从1944年到1952年，整整8年的时间，全世界的科学家才接受了Avery的结论——生命的遗传物质是DNA。二、DNA复制（一）DNA复制依赖于特殊的碱基配对碱基互补配对原则A＝TG≡C（二）DNA复制是半保留式的1953年，Watson&Crick提出DNA复制发生在细胞分裂周期的S期DNA半保留式复制：半保留复制(semiconservativerelpication)——细胞中的DNA复制是以亲代的一条DNA链为模板(template)，按照碱基互补配对原则，合成另一条具有互补碱基的新链，复制完成的DNA子链与亲代的DNA完全相同将大肠杆菌放置在一15NH4Cl为唯一氮源的培养液中培养若干代转入以14NH4Cl为唯一氮源的培养液中生长第一代分裂完成的菌体第二代分裂完成的菌体将DNA分离出来，进行密度梯度离心1、DNA合成的同位素示踪实验1958年，Meselson&Stath设计了DNA合成的同位素示踪实验，具体作法：所有大肠杆菌的DNA都被15N标记结果：亲本的DNA离心后形成一条带，分布在离心管的下部，可见是仅含15N的双链第一代的DNA离心后形成一条带，正好分布在离心管的中部，可见是同时含15N和14N的双链第二代的DNA离心后形成两条带，一条位于离心管的中部，一条位于离心管的上部，可见其DNA有两种，一种为同时含15N和14N的双链，另一种为只含14N的双链。（三）DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）DNA聚合酶的共同特点：（1）需要提供合成模板；（2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3’-OH；（3）合成的方向都是5’→3’（4）除聚合DNA外还有其它功能。而DNA母链（模板链）方向为5’→3’和3’→5’，如何解决这一矛盾？半不连续复制冈崎片段与半不连续复制模型在5’→3’这一模板上，DNA聚合酶仍按照5’→3’方向先反方向地合成一系列小的片段，称为冈崎片段然后这些小片段再通过DNA连接酶的作用，互相连接起来而成长链。1.蛋白质是表型特征的分子基础2.DNA与蛋白质的合成；3.遗传信息在细胞质中被翻译；4.中心法则：三、遗传信息流是从DNA到RNA再到蛋白质（一）、蛋白质是表型特征的分子基础生物体的表型是通过一系列的蛋白质来实现的，Beadle&Taturm根据生化代谢途径中酶和基因的关系，提出了“一个基因一个酶”(onegene-oneenzyme)的假说——分子遗传学的奠基石。随后的研究将该假说更正为：一个基因一条多肽链(onegene-onepolypeptidechain)。（二）、DNA与蛋白质的合成1.RNA的结构与功能结构组成：单链；核苷酸中的戊糖是核糖；尿嘧啶取代胸腺嘧啶；分类：mRNA、rRNA、tRNA功能：参与蛋白质的合成。tRNA与反密码子mRNA(messagerRNA)信使RNA——携带并传递DNA中的遗传信息，在蛋白质合成中起模板作用rRNA(ribosomeRNA)核糖体RNA——与蛋白质结合形成核糖体，核糖体是合成蛋白质的“工厂”tRNA（transferRNA)转运RNA——在蛋白质合成过程中转运氨基酸转录(transcription)——以单链DNA分子为模板，按照碱基互补配对原则，合成一条单链RNA分子，DNA分子上携带的遗传信息被转移到RNA分子中的过程。基本结构：启动子(promoter)——由一段特殊的核苷酸序列构成，是DNA链上的转录起始信号，是RNA聚合酶识别、结合并打开DNA双链的位点。终止子(terminator)——终止RNA新链合成的一段核苷酸序列，即RNA聚合酶脱离的位点。场所：主要在细胞核模板：DNA的一条链原料：4种核糖核苷酸原则：碱基互补配对原则（A-U）产物：mRNA真核生物：RNA聚合酶ⅠrRNARNA聚合酶ⅡmRNA前体RNA聚合酶ⅢtRNA、5SRNA等转录与复制的不同点：1、转录有转录单位，并非整段DNA链全部转录。2、转录不需要引物，合成的是RNA。3、转录是不对称的，即仅以一条DNA链为模板，合成一条RNA链。4、新合成的RNA链的5`端游离出来，仅有正在合成的约10个核苷酸与DNA形成双链形式。遗传密码——DNA分子中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸排列顺序之间的对应关系。遗传密码是由三个碱基组成的，因此叫三联体密码，64个，其中61个负责氨基酸的翻译。遗传密码的特点具有连续可读性和不重叠性简并现象偏好性专一性具有起始密码子和终止密码子普遍通用性（线粒体DNA除外）AUG（Met）f-Met起始密码子UAA终止密码子UAGUGA遗传密码表3遗传信息在细胞质中被翻译细胞中蛋白质的合成是一个严格按照mRNA上密码子的信息指导氨基酸单体合成为多肽链的过程，这一过程称为mRNA的翻译(translation)。mRNA的翻译需要有mRNA、tRNA、核糖体、多种氨基酸和多种酶等的共同参与，其过程远比转录复杂，共分为五个阶段。1、第一阶段——氨基酸的激活必需成分：二十种氨基酸、二十种以上的tRNA、相应的氨基酰－tRNA合成酶、ATP、Mg2+。具体反应：在氨基酰－tRNA合成酶的催化下，利用ATP供能，催化特定的氨基酸与特定的tRNA结合，形成氨基酰－tRNA，由两个催化反应构成：反应I：AA+ATP+EnAA-AMP-En+PPi反应II：AA-AMP-En+tRNAAA-tRNA+AMP+En2、第二阶段——多肽链合成的起始必需成分：mRNA、N-甲酰甲硫氨酰－tRNA(fMet-tRNA)、起始密码子AUG、30s核糖体小亚基、50s核糖体大亚基、起始因子(initiationfactor,IF)、GTP、Mg2+。具体过程：30S核糖体小亚基与mRNA通过SD序列结合在一起IF与fMet-tRNA形成复合物GTP起始复合物起始复合物50S核糖体大亚基70S核糖体、mRNA、fMet-tRNA结合在一起IF、GDP、Pi脱离3、第三阶段——多肽链的延伸必需成分：完整的核糖体与mRNA的复合物、各种氨基酰－tRNA、多肽转移酶、延伸因子(elongationfactor,EF)、GTP。特殊结构：核糖体上有两个与氨基酰－tRNA结合的位点，一个为P位点(peptide)、另一个为A位点(aminoacyl)，每个位点上有一个三联体密码子，起始时fMet-tRNA结合在P位点上具体过程：从第一个肽键形成到最后一个肽键形成的全部过程。fMet-tRNAPAAA1-tRNAEFGTPfMet-tRNAPAAA1-tRNAtRNAPAfMet-AA1-tRNA多肽转移酶AA2-tRNAEFGTPtRNAfMet-AA1-tRNAPAAA2-tRNA核糖体前移4、第四阶段——多肽链合成的终止必需成分：终止密码子(UAG、UAA、UGA)、释放因子(releasingfactor,RF)、水解酶、GTP。具体过程：P位点上有一串多肽链A位点到达终止密码子RFRF结合到A位点将P位点上的转肽酶变构成水解酶水解P位点上的tRNA与多肽之间的酯键，多肽链释放出来5、翻译后加工从核糖体上解离下来的多肽链多数不具正常的生理功能，必需要经过多种方式的修饰，改变其结构，才能表现出生理活性，主要的翻译后加工过程包括：去掉N端的fMet。剪切去除一些肽段。形成二硫键。氨基酸侧链的修饰——磷酸化、甲基化、羟基化等。糖基化修饰。亚基聚合。六、中心法则(centraldogma)补充：1、发现了逆转录酶——即能以RNA为模板合成DNA。2、DNA翻译——在实验室中，能使DNA翻译成蛋白质。3、朊粒致病性及其遗传行为——对中心法则的挑战，但最终的研究结果表明，该病毒来源于细胞核中的PrP基因。转录翻译复制DNARNA蛋白质•修改后的中心法则：转录复制DNARNA复制反转录翻译蛋白质四、基因突变(mutation)广义的基因突变包括染色体畸变和基因的点突变基因突变发生在生殖细胞内，则突变能遗传给后代；因突变发生在体细胞内，则仅在当代引起形态或生理上的变化，但不能遗传给下一代突变的意义：使生物界具有丰富的基因的多样性，从而造成遗传的多样性，使得进化中的自然选择成为可能。1、基因点突变的形式A、碱基置换(substitution)一种碱基被另一种碱基所置换，仅仅是个别碱基的改变，没有增加或减少碱基的数目，因而仅能改变单个密码子。碱基置换主要有两种形式：转换(transition)——由一种嘌呤置换另一种嘌呤；或由一种嘧啶置换另一种嘧啶。颠换(transversion)——由嘌呤置换嘧啶；或由嘧啶置换嘌呤。碱基结构修复碱基置换的实例：镰形细胞贫血症在编码珠蛋白的基因上发生碱基的颠换，即AT，结果使得血红蛋白链的N端第六个氨基酸由谷氨酸变成了缬氨酸虽然只有一个氨基酸发生改变，就使得血红蛋白的性质发生了改变，引起溶血性贫血B、移码突变(frameshiftmutation)在DNA碱基序列中插入或删除非3整倍数的碱基。结果：编码区在该位点后的所有密码子全部发生改变，进而导致合成的蛋白质的氨基酸序列发生改变，形成不正常的蛋白质，导致生物体疾病或死亡。无义突变无义突变无义突变无义突变2、突变的诱发——诱变剂的作用基本概念：自发突变(spontaneousmutation)——在自然条件下发生的突变，包括DNA在复制、重组过程中发生了错误而引起的突变。特点：突变率非常低诱变剂(mutagen)——能提高突变率的物理或化学因素。常见的诱变剂：A、物理诱变剂——辐射，如紫外线(ultraviolet,UV)、电离辐射(ionizingradiation)的X射线、射线。结果：引起基因突变或染色体畸变；强辐射会打断DNA链或破坏碱基结构。B、化学诱变剂——种类繁多，如煤烟和汽车废气中的苯芘；工业原料中的乙烯亚胺、甲醛；食品工业的亚硝酸盐、黄曲霉毒素药物中的氮芥、磷酰胺、丝裂霉素C、放线菌素D核酸代谢物中的5-氟尿嘧啶、5-溴尿嘧啶、6-巯基嘌呤人工诱变的应用：研究基因的的结构与功能；培育出动物、植物、微生物的优良品种。三、DNA损伤修复在一定条件下，生物体的细胞能使其DNA的损伤得到修复，这一功能是生物体在长期进化过程中获得的一种重要的安全保护机制最常见的修复系统为“切除修复”(excisionrepair)具体修复过程：与切除修复相关的酶识别DNA的损伤部位。将损伤部位的DNA单链切除以另一条正常链为模板，重新合成切除部分，使DNA恢复正常结构1.DNA是遗传物质的证明实验是如何设计和分析的？2.简述DNA复制的特点及其实质。3.简述DNA复制与转录